安永寧

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,天津300456; 2.天津市水運(yùn)工程測繪技術(shù)重點實驗室,天津300456)

側(cè)掃聲吶探測原理及其在海管懸空治理檢測中的應(yīng)用

安永寧1,2

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,天津300456; 2.天津市水運(yùn)工程測繪技術(shù)重點實驗室,天津300456)

根據(jù)懸空海底管線治理后的水下結(jié)構(gòu)特點,主要可分為非透空式和透空式兩類,其在側(cè)掃聲吶探測圖像上有著各自不同的反射特征,據(jù)此原理可采用側(cè)掃聲吶探測方法進(jìn)行懸空海管治理效果的檢測與評估。通過對實際工程中不同治理方式下懸空海管的聲吶探測圖譜進(jìn)行總結(jié)與分析,揭示了采用側(cè)掃聲吶進(jìn)行懸空海管治理檢測的聲學(xué)解譯方法及應(yīng)用效果。懸空海管在治理前,管線下方與海底面之間的空隙反映到聲吶圖譜上,表現(xiàn)為管線強(qiáng)反射與聲學(xué)陰影區(qū)之間存在海底面透空反射。如果采用“拋填砂袋結(jié)合覆蓋層”等非透空式方法治理,由于空隙被填充,聲吶圖譜上的透空反射會消失,且管線強(qiáng)反射圖像會粗化,呈現(xiàn)顆粒狀;如果采用“水下短樁支撐”等透空式方法治理,在聲吶圖譜上只是增加了水下短樁的反射特征,而聲學(xué)透空反射仍然存在。

側(cè)掃聲吶;海底管線;懸空;拋填砂袋;水下短樁

海底管線是海上油氣田的生命線,其運(yùn)行狀況直接關(guān)系到海上油氣田的安全。海底管線所處的海洋環(huán)境狀況復(fù)雜,潮流、波浪、潮汐、風(fēng)暴潮、海洋災(zāi)害地質(zhì)等外營力作用都會對海底管線產(chǎn)生一定的影響,特別是在平臺井架附近,人工構(gòu)筑物的修建改變了局部流場,使得水動力條件加強(qiáng),通常會在平臺周邊產(chǎn)生沖刷,因此,平臺根部的海底管線更易裸露和懸空。

勝利油田坐落于沉積物松散、泥沙活動強(qiáng)烈的黃河三角洲區(qū)域,2009—2011年對該區(qū)域內(nèi)128條海底管線的調(diào)查結(jié)果顯示,總長227.7 km的海底管線,懸空部分總長達(dá)到了10.8 km,占比為4.74%。在唐山沿岸海域、遼東灣海域,由于較強(qiáng)的水動力以及海管的長期服役,部分海底管線也已出現(xiàn)了較多的懸空段。海底管線懸空是安全生產(chǎn)的重大隱患,當(dāng)懸空管線的懸跨長度超過允許范圍時,應(yīng)及時進(jìn)行治理。

1 懸空管線治理方法簡述

對于海管的懸空治理方法,已有很多學(xué)者進(jìn)行過研究,大多已被應(yīng)用于工程實際,包括:拋填砂袋結(jié)合覆蓋層、水下短樁支撐、拋填砂袋結(jié)合仿生草覆蓋、水下樁結(jié)合仿生草覆蓋等[1-3]。本文根據(jù)治理后水下結(jié)構(gòu)物形式的不同,將上述治理方法分為兩類:非透空式治理和透空式治理。

以“拋填砂袋結(jié)合覆蓋層”法為例,其治理方法是:在懸空管道及其周圍一定范圍內(nèi)拋填重約30 kg的砂袋,在拋填砂袋過程中由潛水員對砂袋進(jìn)行整理,保證懸空管線底部填滿砂袋,拋理砂袋完成后,再在管道上鋪設(shè)覆蓋層。顯然,經(jīng)“拋填砂袋結(jié)合覆蓋層”法治理后,管線與海床面的空隙被填充,形成非透空式結(jié)構(gòu)。

(王 燕 編輯)

再以“水下短樁支撐”法為例,其原理是在管線懸空段設(shè)置支撐支架,以減小橫向和縱向振動幅度,防止在水流作用下產(chǎn)生的渦激振動引起管線斷裂;具體思路是沿懸空管線設(shè)置水下短樁支撐,以縮短管線懸空跨長,水下鋼管樁沿懸空管線兩側(cè)交替設(shè)置,樁入土均約15 m,每一鋼管樁在靠近海管附近位置設(shè)有懸臂梁?？梢?經(jīng)“水下短樁支撐”法治理后,管線與海床面之間仍然存在空隙,為透空式結(jié)構(gòu)。

非透空式治理和透空式治理后的實際效果,均可通過側(cè)掃聲吶探測方法進(jìn)行檢測。

2 側(cè)掃聲吶檢測原理

側(cè)掃聲吶技術(shù)運(yùn)用海底地物對入射聲波反向散射的原理來探測海底形態(tài),它能直觀地提供海底形態(tài)的聲成像。通過聲吶線陣向左右兩側(cè)發(fā)射扇型波束,海底反向散射信號依時間的先后被聲吶線陣接收,有一定高度的海底障礙物在側(cè)掃聲吶資料上能產(chǎn)生“陰影”[4-7]。通過對不同的成像條件下得到的聲吶圖譜中“陰影”的研究,可以判斷海底管線的狀態(tài)為透空還是非透空,從而評價懸空管線治理效果。

當(dāng)海底管線狀態(tài)為懸空時,側(cè)向發(fā)射的聲吶波束首先遇到管線形成強(qiáng)反射,其反射時程最短,最先成像在聲吶圖譜上;管線下方與海床面之間的空隙(空隙高度即為懸空高度)可允許聲吶波束穿過,形成“聲學(xué)透空區(qū)”,其反射時程次之,在聲吶圖譜上位于管線強(qiáng)反射外側(cè);管線本身會遮擋一定寬度范圍的聲吶波束穿過,形成“聲學(xué)陰影區(qū)”,其理論反射時程最長,在聲吶圖譜上位于“聲學(xué)透空區(qū)”外側(cè)。如此,懸空管線形成的聲吶圖譜由近及遠(yuǎn)依次為管線強(qiáng)反射、“聲學(xué)透空區(qū)”海底面反射、“聲學(xué)陰影區(qū)”空白反射(圖1a)。

當(dāng)懸空管線經(jīng)過非透空式治理之后,側(cè)向發(fā)射的聲吶波束首先遇到管線及其下方支撐的砂袋,形成較強(qiáng)反射,其反射時程最短,最先在聲吶圖譜上成像;同時,管線及其下方支撐的砂袋本身會遮擋一定寬度范圍的聲吶波束穿過,形成“聲學(xué)陰影區(qū)”,其反射時程較長,反映到聲吶圖譜上,就是在管線與砂袋強(qiáng)反射外側(cè)成像。如此,懸空治理之后管線形成的聲吶圖譜由近及遠(yuǎn)依次為:管線和砂袋的強(qiáng)反射、“聲學(xué)陰影區(qū)”空白反射(圖1b)。

圖1 懸空管線治理前后側(cè)掃聲吶探測原理Fig.1 Detection principle of side scan sonar before and after the treatments of the suspended submarine pipelines

當(dāng)采用水下短樁支撐等透空式方法治理時,在水下短樁處會產(chǎn)生圖1b所示的波束路徑和聲吶圖譜,而兩管線樁之間區(qū)域的反射特征相當(dāng)于管線懸空時的探測結(jié)果(圖1a)。

3 工程實例

在使用側(cè)掃聲吶探測時,選擇較高的頻率可得到較高的分辨率,較近的探測距離與較小的量程設(shè)置可獲取更為清晰的聲吶圖像,但并不是探測距離越近越好,試驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)發(fā)射聲波與海底面的夾角保持在20°左右時,管線懸空的探測效果最為理想[8]。另外,當(dāng)管線下部海底面存在凹坑等負(fù)地形時,其反射特征容易與管線在聲吶圖譜上的“陰影”混淆,可在懸空管線周圍以不同方位、不同距離進(jìn)行探測,獲取豐富的探測資料,有助于減少資料解譯中的誤判。

本文在海上作業(yè)時,采用的側(cè)掃聲吶設(shè)備為美國Edge Tech公司生產(chǎn)的4200-MP型雙頻側(cè)掃聲吶,選擇其高頻(410 k Hz)進(jìn)行測量,在保證能探測到目標(biāo)的前提下,盡量選擇較小的量程,而且,每條測線都進(jìn)行正反向重復(fù)測量,以便能夠剔除由偶然因素引起的圖像干擾。在平臺附近,當(dāng)測量受到平臺結(jié)構(gòu)物影響時,根據(jù)平臺與管線的相對位置、海流狀況等因素,靈活地調(diào)整探測角度與距離。

3.1 非透空式治理后的探測結(jié)果

經(jīng)“拋填砂袋結(jié)合覆蓋層”方法治理后的檢測實例如圖2所示。可以看出,以不同的角度探測,治理后的管線懸空段總是沿著聲吶波束的發(fā)射方向形成“聲學(xué)陰影區(qū)”,該區(qū)表現(xiàn)為能量空白的反射特征,“聲學(xué)陰影區(qū)”時大時小,與探測角度、測線與管線的相對位置等相關(guān),這也進(jìn)一步表明它不是海底凹陷等負(fù)地形的反射特征。同時,“聲學(xué)陰影區(qū)”與“管線、砂袋強(qiáng)反射區(qū)”相鄰,中間沒有懸空管線特有的“聲學(xué)透空區(qū)”,表明拋填砂袋位于懸空管線正下方,自海底面至管線處形成一道“墻”,阻擋了聲吶波束的穿過。此外,治理后的懸空管線段強(qiáng)反射圖像有粗化現(xiàn)象,呈現(xiàn)出“顆粒狀”,這是管線下部拋填、上部覆蓋的砂袋堆壘后的反射特征,也可以看作經(jīng)治理后,聲吶圖像從管線的反射特征演化為微型砂壩的反射特征。在圖2a中,量取測量水深、管線距聲吶拖魚的距離、“陰影”寬度等參數(shù)后,通過幾何關(guān)系計算可得管線及砂袋的高度約1.0 m,結(jié)合治理前資料給出的0.7 m的懸空高度,可知,治理后管線上方覆蓋層的厚度約為0.3 m。

在圖2b中還可看出,治理管線北側(cè)有一條管線處于懸空狀態(tài),其反射特征為:在管線強(qiáng)反射區(qū)外側(cè)有一段寬約2 m的“聲學(xué)透空區(qū)”,再外側(cè)是“聲學(xué)陰影區(qū)”。由幾何關(guān)系計算可得其懸空高度約為0.7 m。

圖2 非透空式治理后的聲吶探測圖像Fig.2 Side scan sonar image after treated with the non-permeable method

3.2 透空式治理后的探測結(jié)果

圖3為經(jīng)“水下短樁支撐”方法治理后的檢測實例?？梢钥闯?在海管懸空段共打入了4根水下鋼管樁,水下鋼管樁交替設(shè)置于懸空管線兩側(cè),其中,近平臺側(cè)的兩根設(shè)于管線右側(cè)(從閱讀者角度看),其余2根設(shè)于管線左側(cè),4根水下短樁將懸空段分成了5小段,有效減小了懸跨長度,降低了管線在渦激振動后受損的風(fēng)險。

在水下短樁位置處,鋼管樁強(qiáng)反射與管線強(qiáng)反射的圖像交叉,反映出水下鋼管樁與管線存在接觸關(guān)系,交叉點處較粗的強(qiáng)反射是支撐懸臂梁的反射特征,鋼管樁強(qiáng)反射外側(cè)即是“陰影”,而位于水下短樁之間的區(qū)域,管線強(qiáng)反射與“陰影”之間還存在一定寬度的“聲學(xué)透空區(qū)”。圖3中的“聲學(xué)透空區(qū)”寬度較大,通過幾何關(guān)系計算得出,該管線的最大懸空高度約1.9 m,懸空情況較為嚴(yán)重。

圖3 透空式治理后的探測圖像Fig.3 Side scan sonar image after treated with the permeable method

4 結(jié) 語

本文通過分析側(cè)掃聲吶探測海底障礙物的成像原理,探討了側(cè)掃聲吶在海管懸空治理效果檢測中的應(yīng)用,并分別以“拋填砂袋結(jié)合覆蓋層”和“水下短樁支撐”治理效果檢測為例,進(jìn)一步說明了側(cè)掃聲吶在非透空式與透空式治理中的探測結(jié)果和聲圖解譯情況。非透空式治理后海管在聲吶圖譜上的反射特征依次為:管線強(qiáng)反射、“聲學(xué)透空區(qū)”海底面反射、“聲學(xué)陰影區(qū)”空白反射;透空式治理后依次為:管線與砂袋的強(qiáng)反射、“聲學(xué)陰影區(qū)”空白反射。

運(yùn)用側(cè)掃聲吶探測技術(shù)檢測懸空管線的治理效果方便快捷、圖像清晰、方法可行。在懸空管線周圍以不同方位、不同距離進(jìn)行多次探測,有助于減少資料解譯中的誤判。如需查明拋填砂袋的具體形態(tài)、詳細(xì)分布、精確厚度等其他信息,還可結(jié)合多波束測深或水下掃描聲吶探測等其他測量方法。

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Detection Principle of Side Scan Sonar and Its Application in Treatment and Detection of Submarine Pipeline Suspension

AN Yong-ning1,2
(1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,M.O.T.,Tianjin 300456,China; 2.Tianjin Key Lab of Survey Technology for Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China)

According to the underwater structural characteristics of the submarine pipelines after their treatment,the treatments of pipeline suspension can be mainly classified into two types:the nonpermeable type and the permeable type.These two types of pipeline suspension treatment have different acoustic reflection features in the side scan sonar images.According to this principle,side scan sonar can be used to detect and evaluate the effect of the suspended submarine pipeline treatment.By summarizing and analyzing the sonar images of the suspended pipelines which have been treated by means of different methods in real projects,the acoustic interpretation method and application effect by using side scan sonar for treating and detecting the suspended submarine pipelines are revealed.Before the treatment of the suspended pipelines,the gap between the bottom of the suspended pipelines and the surface of the seabed shows in the sonar images that there exists a permeable reflection along the seabed surface between the intense acoustic reflection of the pipeline and the acoustic shadow.After the treatment,two phenomena occur in the sonar images,depending on the treatment methods adopted.If the suspended pipeline is treated with the non-permeable method such as“filling with sand bags and together with cap rocks”,the permeable reflection in the sonar image can disappear due to the filling of the gap and the intense reflection of the pipeline becomes bolded and shows a granular shape;If treated with the permeable method such as“underwater short pile support”,the only change in the sonar image is the adding of the reflection of the short piles, and the permeable reflection of the gap still exists.

side scan sonar;submarine pipeline;suspended pipeline;filling with sand bags;underwater short piles

February 13,2017

P229.5

A

1002-3682(2017)02-0058-05

10.3969/j.issn.1002-3682.2017.02.007

2017-02-13

國家重點研發(fā)計劃項目——基于多源觀測數(shù)據(jù)聯(lián)合反演的海嘯預(yù)警技術(shù)研究及應(yīng)用(2016YFC1401506);國家自然科學(xué)基金項目——南海北部陸坡白云深水區(qū)海底斜坡失穩(wěn)的發(fā)育特征及主控因素研究(41306057)

安永寧(1981-),男,高級工程師,碩士,主要從事海洋工程調(diào)查評估方面研究.E-mail:tksayn@qq.com